JP4641297B2

JP4641297B2 - 極低温冷却システム

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Publication number: JP4641297B2
Application number: JP2006252323A
Authority: JP
Inventors: 弘之田中; 祐三福田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2026-09-19
Also published as: JP2008075893A

Description

本発明は、極低温冷却システムに係り、特に、サンプルから発生する微弱な核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号を高感度に計測するプローブコイルや、液体ヘリウムを貯蔵するクライオスタット、などの被冷却体を備える極低温冷却システムに好適なものである。

ＮＭＲ分光法は、静磁界中にある原子が特定の周波数の電磁波と共振する性質を利用して、サンプルに含まれるタンパク質の原子構造を解明するために使用されている。

ＮＭＲ分光法では、共振する電磁波の照射を停止した後の自動減衰するＮＭＲ信号を計測するため、１回の計測において所定の時間が必要となる。このＮＭＲ信号は微弱なため、確度の高いデータを得るには、数多くのデータを計測した平均を取る必要があり、１サンプルの計測に長い時間がかかるという問題がある。

ＮＭＲ分光法における計測時間を短縮するために、サンプルから発生する微弱なＮＭＲ信号の信号強度を高めることが考えられている。ＮＭＲ信号強度は、印加する静磁場の強度に依存するため、印加磁場強度を高めるように強磁場を発生する大型のマグネットが開発されている。

ＮＭＲ分光法における計測時間を短縮する別の方法として、ＮＭＲ信号を受信するプローブコイルを極低温に冷却し、プローブコイルの熱抵抗を小さくするとともに、プローブコイル自身が持つ熱雑音を小さくすることが考えられている。プローブコイルの低温化は、マグネットの強磁場化に比べて低コストでの感度向上が実現できることが知られている（非特許文献１）。

従来の低温プローブを図５及び図６を参照しながら説明する。図５は従来のＮＭＲ用低温プローブの構成を示す図、図６は図５のＮＭＲ用低温プローブの冷却系統を示す図である。

被冷却物を内蔵したプローブ本体１は、トランスファーチューブ２を介して冷却源である冷媒供給装置３と連結されている。トランスファーチューブ２は、除振脚４で床から固定されている。この除振脚４の設置により、冷媒供給装置３に備える極低温冷凍機３１による振動がプローブ本体１に伝播しないようになっている。

冷媒供給装置３は、真空容器３８に取り付けられた極低温冷凍機３１と、向流熱交換器３２、３３と、冷媒が流れる冷媒配管３６とを備えて構成されている。極低温冷凍機３１は、異なる２つの温度に維持される冷却ステージ３４、３５を有している。各冷却ステージの到達温度は各冷却ステージへの熱負荷によって決まる。極低温冷凍機３１の冷却ステージ３４、３５に取り付けられたステージ熱交換器（図示せず）と向流熱交換器３２、３３とは、冷媒が流れる冷媒配管３６により連結されている。冷媒供給装置３から離れて設置された圧縮機３７で加圧された冷媒は、向流熱交換器３２、極低温冷凍機冷却ステージ３４、向流熱交換器３３、極低温冷凍機冷却ステージ３５を順次通過し、約４Ｋに冷却された後、トランスファーチューブ２の内部に設置された冷媒配管３６を通ってプローブ本体１に供給される。

プローブ本体１に供給された冷媒は、プローブ本体１内部に設置された熱交換器１１に供給され、熱交換器１１を冷却する。プローブ本体１１には受信コイル（図示せず）が備えられており、熱交換器ｌｌを介して受信コイルを冷却することにより、受信コイルの感度を向上させている。

受信コイルを冷却した冷媒は、トランスファーチューブ２内の冷媒配管３６を通って冷媒供給装置３に戻り、向流熱交換器３３を通過する際に温度が上昇する。温度が上昇した冷媒は、再びトランスファーチューブ２内の冷媒配管３６を通ってプローブ本体１に供給され、熱交換器１２を冷却する。

熱交換器１２には、低温プリアンプ（図示せず）が取り付けられており、熱交換器１２を介して低温プリアンプを冷却することにより、低温プリアンプでの熱雑音を低下している。

低温プリアンプを冷却した冷媒は、トランスファーチューブ２内の冷媒配管３６を通って冷媒供給装置３に戻り、向流熱交換器３２を通過する際に温度が上昇する。この時、冷媒は室温程度まで温度が上昇する。室温程度まで温度上昇した冷媒は、冷媒供給装置３から圧縮機３７に戻される。

このような低温プローブを用いることにより、高価で取り扱いの難しい液体ヘリウムを使用することなく、プローブ本体１に設置した受信コイルを極低温に冷却することができる。

係る低温プローブに関連する特許文献として、特開平１０−３３２８０１号公報（特許文献１）、特開２００４−３０１７７３号公報（特許文献２）及び特開２００４−３７２３８号公報（特許文献３）が挙げられる。特許文献１では、冷凍機を利用した循環冷却構造が示されている。特許文献２では、プローブの冷却効率を高めるためにＧＭ／ＪＴ冷却構造を採用している。特許文献３では、冷凍機および極低温に冷却された冷媒の輸送に伴う振動を抑制する機構について示されている。

特開平１０−３３２８０１号公報特開２００４−３０１７７３号公報特開２００４−３７２３８号公報「ＮＭＲの書」荒田洋治著ｐ３３０（２０００）

ＮＭＲ分光法による低温プローブでは、極低温冷凍機３１を含む冷媒供給装置３を強磁場マグネットの影響を受けない距離まで離す必要がある。これは極低温冷凍機３１が強磁場中での動作が困難になるためであり、マグネットから発生する磁場が強いほど、極低温冷凍機３１を含む冷媒供給装置３をマグネットから遠方に設置しなければならない。これによって、マグネットに直接取り付けられるプローブ本体１と極低温冷凍機３１を含む冷媒供給装置３との距離が離れることとなり、プローブ本体１と冷媒供給装置３とを連結するトランスファーチューブ２が長くなる。

トランスファーチューブ２は真空容器となる外壁の内側に極低温に冷却された冷媒を輸送する冷媒配管３６を設置したものであり、冷媒には室温である真空容器からの輻射熱量の他、支持部からの熱伝導による熱侵入が生じている。トランスファーチューブ２が長くなることにより、冷媒配管３６の表面積が増えるため輻射熱量が増大し、また支持部も長さに応じて必要となるため熱伝導による侵入熱量も増大する。係る侵入熱量の増大により、プローブコイルの冷却温度が高くなり、熱雑音が増加するため、受信感度が低下するという問題があった。

トランスファーチューブを大径にすることにより熱侵入を抑制できるが、この場合にはトランスファーチューブの可撓半径が大きくなりハンドリング性が低下すると共に、大口径で長いトランスファーチューブ自体の重量が重くなるため、その着脱作業が難しくなるという問題があった。

本発明の目的は、磁場強度の問題により極低温冷凍機を含む冷却源と被冷却物とを離して設置する必要がある極低温冷却システムにおいて、極低温冷凍機の動作信頼性を確保しつつ、冷媒の輸送経路における熱侵人の抑制、コストの低減及び取り扱い性の向上を図れる極低温冷却システムを提供することにある。

本発明は、極低温の冷媒を供給する冷媒供給装置と、マグネットによる強磁場内にあって前記冷媒供給装置から供給された極低温の冷媒で冷却される被冷却体と、前記冷媒供給装置と前記被冷却体とを連結する第１トランスファーチューブとを備え、前記冷媒供給装置は、冷却温度の異なる２つの冷却ステージを有する極低温冷凍機と、前記極低温冷凍機で極低温に冷却された冷媒を流す冷媒配管と、前記冷媒配管を流れる冷媒間の熱移動を行う向流熱交換器と、これらを内蔵する真空容器とを備え、前記被冷却体は、極低温に冷却することで所定の性能を発揮する被冷却物と、前記被冷却物を極低温に冷却する熱交換部と、前記熱交換部に前記冷媒供給装置で極低温に冷却された冷媒を流す冷媒配管と、これらを内蔵する真空容器とを備え、前記第１トランスファーチューブは、前記冷媒供給装置の冷媒配管と前記被冷却体の冷媒配管との間に結合される冷媒配管と、この冷媒配管を内蔵し且つ前記冷媒供給装置の真空容器と前記被冷却物の真空容器との間に介在された真空容器とを備える極低温冷却システムにおいて、前記冷媒供給装置は、前記向流熱交換器を第１真空容器に内蔵した熱交換器ユニットと、前記極低温冷凍機の冷却ステージを第２真空容器に内蔵した冷凍機ユニットと、前記第１真空容器と前記第２真空容器とを結合する第２トランスファーチューブとを備え、前記第１トランスファーチューブの真空容器は、可撓性を有して、前記被冷却体の真空容器と前記第１真空容器との間に介在され、第２トランスファーチューブは、前記第１真空容器と前記第２真空容器との間に介在された前記第３真空容器と、前記第３真空容器内を通る冷媒配管とを備え、前記第３真空容器は前記第１トランスファーチューブの真空容器の径より大きな径を有している構成としたことにある。

係る本発明におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記第１トランスファーチューブの真空容器はベローズ状に形成されて可撓性を有していること。
（２）前記第３真空容器は少なくともその一部がベローズ状に形成されて可撓性を有していること。
（３）前記第１真空容器は床面に固定されて除振台としての機能も有していること。
（４）前記被冷却体がサンプルから発生する微弱なＮＭＲ信号を計測するプローブであること。
（５）前記被冷却体が液体ヘリウムを貯蔵するクライオスタットであること。

係る本発明の極低温冷却システムによれば、極低温冷凍機の動作信頼性を確保しつつ、冷媒の輸送経路における熱侵人の抑制、コストの低減及び取り扱い性の向上を図ることができる。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態及び従来の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の極低温冷却システムを図１から図３を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態の極低温冷却システムを示す図、図２は図１のＮＭＲ用低温プローブの冷却系統を示す図、図３は図１のＡ−Ａ断面図である。

極低温冷却システム１００は、極低温冷凍機３１で冷媒を極低温に冷却して供給する冷媒供給装置３と、マグネットによる強磁場内にあって冷媒供給装置３から供給された極低温の冷媒で冷却される被冷却体であるプローブ本体１と、極低温冷凍機３１からプローブ本体１へ冷媒を流す冷媒配管３６ｃを内蔵したトランスファーチューブ２０とを備える。

冷媒供給装置３は、冷却温度の異なる２つの冷却ステージ３４、３５を有する極低温冷凍機３１と、極低温冷凍機３１で極低温に冷却された冷媒を流す冷媒配管３６ａと、冷媒配管３６ｂを流れる冷媒間の熱移動を行う２つの向流熱交換器３２、３３と、これらを内蔵する真空容器３８とを備えている。

この冷媒供給装置３は、向流熱交換器３２、３３を第１真空容器３８ａに内蔵した熱交換器ユニット４１と、極低温冷凍機３１の冷却ステージ３４、３５を第２真空容器３８ｂに内蔵した冷凍機ユニット４２とを分離して備えると共に、熱交換器ユニット４１と冷凍機ユニット４２とを結合する第２トランスファーチューブ２２とを備えている。

ここで、極低温冷凍機３１は２段ＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）冷凍機を使用している。この極低温冷凍機３１は、ディスプレーサー（図示せず）を駆動することにより、各冷却ステージで寒冷を発生させている。このディスプレーサーには蓄冷材が取り付けられている。極低温領域では物質の比熱が小さくなるため、通常蓄冷材として使用されている銅や鉛などの金属は使用することができない。特に１０Ｋ以下の動作温度を実現する極低温冷凍機３１では、極低温領域での比熱が高い磁性蓄冷材を使用している、この磁性蓄冷材は一般に反磁性の性質を持つため、ディスプレーサーとともに蓄冷材が往復運動することによる磁場の歪みが生じる。また、極低温冷凍機３１のディスプレーサーを動作させるためのバルブモーター（図示せず）は、通常、極低温冷凍機３１と一体化されており、バルブモーターの動作に伴い、バルブモーター周囲に磁場の歪みが生じる。バルブモーターの駆動やディスプレーサーの往復運動は磁場の影響を受けるため、設置空間の磁場強度に制限がある。極低温冷凍機３１で生じる磁気の歪みや設置空間の磁場強度の問題により、極低温冷凍機３１はプローブ本体１から一定距離離れた位置に設置する必要がある。

極低温冷凍機３１は異なる温度に維持できる２段の冷却ステージ３４、３５を有するが、極低温冷凍機３１の各冷却ステージの到達温度は各冷却ステージへの熱負荷によって決まる。そこで、真空容器３８の内部に熱シールド（図示せず）を設置しており、室温である真空容器３８から極低温冷凍機３１の冷却ステージ３５への放射による熱侵入を低減している。熱シールドの周囲には図示しない積層断熱材（スーパーインシュレーター）を設置し、室温である真空容器３８から熱シールドおよび極低温冷凍機の冷却ステージ３４への放射による熱侵入を低減している。

また、向流熱交換器３２、３３を内蔵している第１真空容器３８ａの内部にも熱シールド（図示せず）を設置している。この熱シールドは、向流熱交換器３２から極低温冷凍機３１に向かう冷媒配管を利用して極低温に冷却され、室温である第１真空容器３８ａから向流熱交換器３３への放射による熱侵入を低減している。また、熱シールドと向流熱交換器３２の周囲に図示しない積層断熱材（スーパーインシュレーター）を設置し、室温である第１真空容器３８ａから熱シールドおよび向流熱交換器３２への放射による熱侵入を低減している。

トランスファーチューブ２０は、可撓性を有する被冷却体側の細いトランスファーチューブである第１トランスファーチューブ２１と、極低温冷凍機側の太いトランスファーチューブである第２トランスファーチューブ２２とからなっている。

第１トランスファーチューブ２１は、プローブ本体１の冷媒配管３６ａと冷媒供給装置３の冷媒配管３６ｂとの間に介在される冷媒配管３６ｃと、この冷媒配管３６ｃを内蔵し且つ真空容器１３と真空容器３８との間に介在される第３真空容器３８ｃとを備える。

第２トランスファーチューブ２２は、第１真空容器３８ａと第２真空容器３８ｂとの間に介在された第３真空容器３８ｃと、第３真空容器３８ｃ内を通る冷媒配管３６ｂとを備えて構成されている。

この第３真空容器３８ｃは、可撓性を有して、被冷却体の真空容器１３と冷媒供給装置３の第１真空容器３８ａとの間に介在されている。また、第３真空容器３８ｃは第１トランスファーチューブ２１の真空容器２３の径より大きな径を有している。

ここで、プローブ本体１がマグネットへの着脱時に上下方向に動かす必要があるため、プローブ本体１に接続された第１トランスファーチューブ２１には大きな可撓性が要求される。大口径のトランスファーチューブほど可撓半径が大きくなり、プローブ本体１の位置調整が困難になるため、プローブ本体１と冷媒供給装置３を連結する第１トランスファーチューブ２１の直径は位置調整が容易となるように直径５０ｍｍ程度とすることが必要である。なお、本実施形態では、第１トランスファーチューブ２１の第３真空容器３８ｃをベローズ状に形成し、チューブ軸方向（チューブ長手方向）に交差する方向に容易に曲げることが可能な可撓性を持たせている。ここで、熱侵入の大きいトランスファーチューブ２１の長さは、プローブ本体１から第１真空容器３８ａまでの必要最小限の長さとされており、トランスファーチューブ２１での熱侵入は最低限に抑制される。

第２トランスファーチューブ２２は、図３に示すように、第３真空容器３８ｃの内部に、冷媒配管３６ｂを構成する４本の冷媒配管２４〜２７を設置している。各冷媒配管２４〜２７の内部には、極低温に冷却された冷媒が流れる。熱シールド２８と第３真空容器３８ｃの間に積層断熱材（スーパーインシュレーター）を設置し、室温である第３真空容器３８ｃから熱シールド２８への放射による熱侵入を低減している。

冷媒配管２４、２５は極低温冷凍機３１の冷却ステージ３４と連結している。冷媒配管２４は、向流熱交換器３２から極低温冷凍機３１の冷却ステージ３４に冷媒を供給する冷媒配管である。冷媒配管２４は第２トランスファーチューブ２２の内部に設置した熱シールド２８を冷却している。冷媒配管２５は、極低温冷凍機３１の冷却ステージ３４から向流熱交換器３３へ冷媒を供給する冷媒配管である。冷媒配管２５を流れる冷媒は、極低温冷凍機３１の冷却ステージ３４によって冷媒配管２４を流れる冷媒よりも低温に冷却されている、
冷媒配管２６、２７は、極低温冷凍機３１の冷却ステージ３５と連結している。冷媒配管２６、２７は熱シールド２８との接触を防止するため、スペーサ２９を冷媒配管２６、２７と熱シールド２８との間に設置している。

スペーサ２９は、熱伝導率の小さいＧＦＲＰやフッ素樹脂で製作されている。スペーサは奥行５ｍｍ程度である、
極低温冷凍機３１を取り付けた真空容器３８と、向流熱交換器３２、３３を内蔵した第１真空容器３８ａと、真空容器３８と第１真空容器３８ａを連結する第２トランスファーチューブ２２は、トランスファーチューブ２１のように着脱のため上下に操作する必要がない。そのため、可撓半径が小さい大口径のトランスファーチューブを使用することができる。

この第２トランスファーチューブ２２の直径は１００ｍｍ程度である。これは、第３真空容器３８ｃの外径が１００ｍｍ程度であることを意味する。冷媒を供給する冷媒配管２４〜２７の直径は変わらないため、第３真空容器３８ｃを大口径にすることにより、熱シールド２８の口径を大きくすることができる。熱シールド２８が大きくなることにより、スペーサ２９を大きくすることができる。スペーサ２９が大きくなることにより、極低温冷凍機３１の冷却ステージ３５に連結した冷媒配管２６、２７と熱シールド２８との距離が長くなるため、熱シールド２８からスペーサ２９を介して冷媒配管２６、２７に伝わっていた熱伝導による熱侵入を低減することができる。

ここで、第２トランスファーチューブ２２の第３真空容器３８ｃの長さ方向に関して、少なくとも一部にベローズを採用することにより、極低温冷凍機３１で発生した振動を第１真空容器３８ａに伝播することを抑制することができる。

プローブ本体１と向流熱交換器３２、３３を内蔵した第１真空容器３８ａとの距離は、プローブ本体１をマグネットに取り付けるための可撓量が確保できる長さである。極低温冷凍機３１をマグネットから離す必要がある距離が、プローブ本体１と向流熱交換器３２、３３を内蔵した第１真空容器３８ａとの距離よりも長い場合、第２トランスファーチューブ２２の長さを変更することにより、プローブ本体１と向流熱交換器３２、３３を内蔵した第１真空容器３８ａ、プローブ本体１と向流熱交換器３２、３３を内蔵した第１真空容器３８ａとを連結するトランスファーチューブ２１の位置を変更することなく、極低温冷凍機３１を取り付けた真空容器３８をマグネットから離れた位置に設置することができる。

トランスファーチューブ２１は直径が細いため熱侵入量が大きくなるが、その長さを短くすることにより、その影響を所定値以下に抑えることができる。即ち、プローブ本体１と第１真空容器３８ａの距離が短くなることにより、プローブ本体１と第１真空容器３８ａを結ぶトランスファーチューブ２１を通過する際に冷媒が受ける熱侵入が小さくなり、プローブ本体１の内部に設置した熱交換器１２をより低温に冷却することができる。

第１真空容器３８ａには向流熱交換器３２、３３と冷媒が流れる冷媒配管が設置されているだけであり、振動源となる極低温冷凍機３１とは第２トランスファーチューブ２２により切り離されている。したがって、第１真空容器３８ａを除振台として使用することが可能である。すなわち、第１真空容器３８ａを床にアンカーボルトで固定することにより、第１真空容器３８ａに伝わった振動がプローブ本体１に伝播しないようにすることができる。

プローブ本体１は、極低温に冷却することで所定の性能を発揮する被冷却物である受信コイル（図示せず）及び低温プリアンプ（図示せず）と、受信コイルを極低温に冷却する熱交換部１１と、低温プリアンプを極低温に冷却する熱交換部１２と、熱交換部１１、１２に冷媒供給装置３で極低温に冷却された冷媒を流す冷媒配管３６ａと、これらを内蔵する真空容器１３とを備える。なお、熱交換部１１は受信コイルを極低温に冷却することにより受信コイルの感度を向上し、熱交換器１２は低温プリアンプを冷却することにより低温プリアンプでの熱雑音を低下している。この熱交換器１２は、第１真空容器３８ａの内部の設置した向流熱交換器３３により温度上昇した冷媒を冷却源としている。

次に、図２を参照しながら、本実施形態の極低温冷却システム１００の冷却プロセスを説明する。

室温部に設置された圧縮機３７で加圧された冷媒は、冷媒配管で結合された第１真空容器３８ａに供給され、第１真空容器３８ａ内に設置された向流熱交換器３２を通過する際に、向流熱交換器３２を逆向きに流れる冷媒との間で熱交換され、極低温に冷却される。

向流熱交換器３２を通過して極低温に冷却された冷媒は、第２トランスファーチューブ２２を通過し、第２真空容器３８ｂに取り付けられた極低温冷凍機３１の冷却ステージ３４で更に極低温に冷却される。

極低温冷凍機３１の冷却ステージ３４で冷却された冷媒は、再び第２トランスファーチューブ２２を通過して第１真空容器３８ａに内蔵された向流熱交換器３３に供給され、向流熱交換器３３を通過する際に、向流熱交換器３３を逆向きに流れる冷媒との間で熱交換され、更に極低温に冷却される。

向流熱交換器３３を通過した冷媒は、再び第２トランスファーチューブ２２を通過して真空容器３８に取り付けられた極低温冷凍機３１の冷却ステージ３５へと供給され、極低温冷凍機３１の冷却ステージ３５によって最低温度まで冷却される。極低温冷凍機３１の冷却ステージ３５で最低温度に冷却された冷媒は、第２トランスファーチューブ２２、第１真空容器３８ａ、第１トランスファーチューブ２１を通過した後、プローブ本体１に設置された熱交換器１１に供給され、熱交換器１１と熱的に結合したプローブコイルを冷却する。

プローブコイルを冷却した後の冷媒は、再び第１トランスファーチューブ２１を通って第１真空容器３８ａに内蔵された向流熱交換器３３に供給され、向流熱交換器３３を通過する際に、向流熱交換器３３を逆向きに流れる冷媒との間で熱交換を行い、冷媒の温度が上昇する。

向流熱交換器３３を通過して温度が上昇した冷媒は、再びトランスファーチューブ２１を通過後、プローブ本体１の内部に設置された熱交換器１２に供給され、熱交換器１２と熱的に結合した低温プリアンプを冷却する。

プリアンプを冷却した後の冷媒は、再び第１トランスファーチューブ２１を通過した後、第１真空容器３８ａに内蔵された向流熱交換器３２に供給され、向流熱交換器３２を通過する際、向流熱交換器を逆向きに流れる冷媒との間で熱交換を行い、冷媒の温度は室温レベルまで上昇する。室温レベルまで上昇した冷媒は、圧縮機３７に戻る。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の極低温冷却システム１００について図４を用いて説明する。図４は本発明の第２実施形態の極低温冷却システム１００の冷媒系統を示す図である。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第２実施形態では、第１実施形態におけるプローブ本体１の代わりに、液体ヘリウムを貯蔵するクライオスタット１０１を被冷却体としたものである。

熱シールド１１２は、真空容器１１３と熱シールド１１１との間に設置されている、熱シールド１１２と真空容器１１３との間には積層断熱材（スーパーインシュレーター）が設置され、室温である真空容器１１３から熱シールド１１２への放射による熱侵入を低減している。

熱シールド１１１は、熱シールド１１２と液体ヘリウム貯蔵部１１４の間に設置している。熱シールド１１１は極低温冷凍機３１の冷却ステージで最低温度に冷却された冷媒により極低温に冷却され、熱シールド１１２からの放射による熱侵入を低減している。

クライオスタット１０１の冷却プロセスを説明する。

極低温冷凍機３１の冷却ステージ３５で最低温度に冷却された冷媒は、第２トランスファーチューブ２２、真空容器３５、第１トランスファーチューブ２１を通過した後、クラオスタット１０１に設置された熱交換器（図示せず）に供給され、この熱交換器と熱的に結合した熱シールド１１１を冷却する。

熱シールド１１１を冷却した後の冷媒は、再び第１トランスファーチューブ２１を通って第１真空容器３８ａに内蔵された向流熱交換器３３に供給される。向流熱交換器３３を通過する際、向流熱交換器３３を逆向きに流れる冷媒との問で熱交換を行い、冷媒の温度は上昇する。

向流熱交換器３３を通過して温度が上昇した冷媒は、再び第１トランスファーチューブ２１を通過後、クライオスタット１０１の内部に設置された熱交換器（図示せず）に供給され、この熱交換器と熱的に結合した熱シールド１１２を冷却する。

熱シールド１１２を冷却した後の冷媒は、再び第１トランスファーチューブ２１を通過した後、第１真空容器３８ａに内蔵された向流熱交換器３２に供給される。向流熱交換器３２を通過する際、向流熱交換器を逆向きに流れる冷媒との間で熱交換を行い、冷媒の温度は室温レベルまで上昇する。室温レベルまで上昇した冷媒は、圧縮機３７にもどる

本発明の第１実施形態のＮＭＲ用低温プローブの構成を示す図である。図１のＮＭＲ用低温プローブの冷却系統を示す図である。図１のＡ−Ａ断面図である。本発明の第２実施形態のＮＭＲ用低温プローブの冷却系統を示す図である。従来のＮＭＲ用低温プローブの構成を示す図である。図５のＮＭＲ用低温プローブの冷却系統を示す図である。

符号の説明

１…プローブ本体（被冷却体）、２…トランスファーチューブ、３…冷媒供給装置、４…除振脚、１１…熱交換部、１２…熱交換部、１３…被冷却体の真空容器、２１…第１トランスファーチューブ、２３…第１トランスファーチューブの真空容器、２４…冷媒配管、２５…冷媒配管、２６…冷媒配管、２７…冷媒配管、２８…熱シールド、２９…スペーサ、３１…極低温冷凍機、３２…向流熱交換器、３３…向流熱交換器、３４…極低温冷凍機冷却ステージ、３５…極低温冷凍機冷却ステージ、３６…冷媒配管、３６ａ…冷媒供給装置の冷媒配管、３６ｂ…プローブ本体の冷媒配管、３６ｃ…第１トランスファーチューブの冷媒配管、３７…圧縮機、３８…冷媒供給装置の真空容器、３８ａ…熱交換器ユニットの真空容器（第１真空容器）、３８ｂ…冷凍機ユニットの真空容器（第２真空容器）、３８ｃ…第２トランスファーチューブの真空容器（第３真空容器）、４１…熱交換器ユニット、４２…冷凍機ユニット、１０１…クライオスタット、１１１…熱シールド、１１２…熱シールド、１１３…真空容器、１１４…液体ヘリウム貯蔵部。

Claims

極低温の冷媒を供給する冷媒供給装置と、マグネットによる強磁場内にあって前記冷媒供給装置から供給された極低温の冷媒で冷却される被冷却体と、前記冷媒供給装置と前記被冷却体とを連結する第１トランスファーチューブとを備え、
前記冷媒供給装置は、冷却温度の異なる２つの冷却ステージを有する極低温冷凍機と、前記極低温冷凍機で極低温に冷却された冷媒を流す冷媒配管と、前記冷媒配管を流れる冷媒間の熱移動を行う向流熱交換器と、これらを内蔵する真空容器とを備え、
前記被冷却体は、極低温に冷却することで所定の性能を発揮する被冷却物と、前記被冷却物を極低温に冷却する熱交換部と、前記熱交換部に前記冷媒供給装置で極低温に冷却された冷媒を流す冷媒配管と、これらを内蔵する真空容器とを備え、
前記第１トランスファーチューブは、前記冷媒供給装置の冷媒配管と前記被冷却体の冷媒配管との間に結合される冷媒配管と、この冷媒配管を内蔵し且つ前記冷媒供給装置の真空容器と前記被冷却物の真空容器との間に介在された真空容器とを備える極低温冷却システムにおいて、
前記冷媒供給装置は、前記向流熱交換器を第１真空容器に内蔵した熱交換器ユニットと、前記極低温冷凍機の冷却ステージを第２真空容器に内蔵した冷凍機ユニットと、前記第１真空容器と前記第２真空容器とを結合する第２トランスファーチューブとを備え、
前記第１トランスファーチューブの真空容器は、可撓性を有して、前記被冷却体の真空容器と前記第１真空容器との間に介在され、
第２トランスファーチューブは、前記第１真空容器と前記第２真空容器との間に介在された前記第３真空容器と、前記第３真空容器内を通る冷媒配管とを備え、
前記第３真空容器は前記第１トランスファーチューブの真空容器の径より大きな径を有している
ことを特徴とする極低温冷却システム。
請求項１記載の極低温冷却システムにおいて、前記第１トランスファーチューブの真空容器はベローズ状に形成されて可撓性を有していることを特徴とする極低温冷却システム。
請求項１記載の極低温冷却システムにおいて、前記第３真空容器は少なくともその一部がベローズ状に形成されて可撓性を有していることを特徴とする極低温冷却システム。
請求項１記載の極低温冷却システムにおいて、前記第１真空容器は床面に固定されて除振台としての機能も有していることを特徴とする極低温冷却システム。
請求項１記載の極低温冷却システムにおいて、前記被冷却体がサンプルから発生する微弱なＮＭＲ信号を計測するプローブであることを特徴とする極低温冷却システム。
請求項１記載の極低温冷却システムにおいて、前記被冷却体が液体ヘリウムを貯蔵するクライオスタットであることを特徴とする極低温冷却システム。